التصوير المقطعي الضوئي الصوتي والموجات فوق الصوتية وتصوير الأوعية الدموية (PAUSAT) للتصوير غير الجراحي للدماغ بالكامل للسكتة الدماغية الإقفارية
Summary
يوضح هذا العمل استخدام منصة تصوير متعددة الوسائط تعتمد على الموجات فوق الصوتية للتصوير غير الجراحي للسكتة الدماغية الإقفارية. يسمح هذا النظام بالقياس الكمي لأكسجة الدم من خلال التصوير الصوتي الضوئي وضعف التروية في الدماغ من خلال تصوير الأوعية الصوتية.
Abstract
تظهر هنا دراسة تجريبية للسكتة الدماغية الإقفارية باستخدام نظام التصوير غير الباضع المطور حديثا والذي يدمج ثلاث تقنيات تصوير قائمة على الصوت: التصوير الصوتي الضوئي والموجات فوق الصوتية والتصوير المقطعي الوعائي (PAUSAT). يساعد الجمع بين هذه الطرق الثلاث في الحصول على التصوير المقطعي الضوئي الصوتي متعدد الأطياف (PAT) لأكسجة الدم في الدماغ ، والتصوير بالموجات فوق الصوتية عالية التردد لأنسجة المخ ، وتصوير الأوعية الصوتية للتروية الدموية الدماغية. تسمح منصة التصوير متعددة الوسائط بدراسة تغيرات التروية الدماغية والأوكسجين في دماغ الفأر بالكامل بعد السكتة الدماغية. تم تقييم نموذجين شائعين للسكتة الدماغية الإقفارية: نموذج انسداد الشريان الدماغي الأوسط الدائم (pMCAO) ونموذج التخثر الضوئي (PT). تم استخدام PAUSAT لتصوير نفس أدمغة الفئران قبل وبعد السكتة الدماغية وتحليل كلا النموذجين كميا للسكتة الدماغية. كان نظام التصوير هذا قادرا على إظهار التغيرات الوعائية في الدماغ بوضوح بعد السكتة الدماغية الإقفارية ، بما في ذلك انخفاض كبير في تروية الدم والأوكسجين في منطقة احتشاء السكتة الدماغية (المماثل) مقارنة بالأنسجة غير المصابة (المقابلة). تم تأكيد النتائج من خلال كل من التصوير بتباين البقع بالليزر وتلطيخ كلوريد ثلاثي فينيل تيترازوليوم (TTC). علاوة على ذلك ، تم قياس حجم احتشاء السكتة الدماغية في كلا النموذجين للسكتة الدماغية والتحقق من صحته بواسطة تلطيخ TTC باعتباره الحقيقة الأرضية. من خلال هذه الدراسة ، أثبتنا أن PAUSAT يمكن أن يكون أداة قوية في الدراسات قبل السريرية غير الباضعة والطولية للسكتة الدماغية.
Introduction
ينقل الدم الأكسجين (عن طريق بروتين الهيموجلوبين) والمواد المغذية الهامة الأخرى إلى الأنسجة في أجسامنا. عندما ينقطع تدفق الدم عبر الأنسجة (نقص التروية) ، يمكن أن يحدث تلف شديد في الأنسجة ، وترجع آثاره المباشرة إلى نقص الأكسجين (نقص الأكسجة). السكتة الدماغية الإقفارية هي نتيجة لانقطاع تدفق الدم إلى منطقة معينة من الدماغ. يمكن أن يحدث تلف الدماغ الناتج عن السكتة الدماغية في غضون دقائق من انسداد الأوعية الدموية ، ويمكن أن يكون له في كثير من الأحيان آثار منهكة ودائمة 1,2. تتمثل إحدى الاستراتيجيات القيمة للغاية لتقييم علم الأمراض الفسيولوجي بعد السكتة الدماغية وتحديد واختبار علاجات جديدة في استخدام نماذج الحيوانات الصغيرة في المختبر. تهدف العلاجات المكتشفة في المختبر إلى ترجمتها إلى الاستخدام السريري وتحسين حياة المرضى. ومع ذلك ، يجب تقييم استخدام الحيوانات في البحوث الطبية الحيوية بعناية وفقا لمبادئ Russell and Burch 3Rs: الاستبدال والتخفيض والصقل3. الهدف من عنصر التخفيض هو تقليل عدد الحيوانات دون المساس بجمع البيانات. مع وضع ذلك في الاعتبار ، فإن القدرة على تقييم تطور الآفة طوليا عبر التصوير غير الباضع تتيح ميزة كبيرة في تقليل عدد الحيوانات المطلوبة ، بالإضافة إلى تعظيم المعلومات التي تم الحصول عليها من كل4.
التصوير المقطعي الضوئي الصوتي (PAT) هو طريقة تصوير هجينة تجمع بين تباين الامتصاص البصري والدقة المكانية للتصوير بالموجات فوق الصوتية5. آلية التصوير من PAT هي على النحو التالي. تضيء نبضة ليزر الإثارة على الهدف الذي يتم تصويره. بافتراض أن الهدف يمتص الضوء عند الطول الموجي لليزر الإثارة، فستزداد درجة حرارته. تؤدي هذه الزيادة السريعة في درجة الحرارة إلى تمدد مرن حراري للهدف. يؤدي التمدد إلى انتشار الموجات فوق الصوتية من الهدف. من خلال اكتشاف الموجات فوق الصوتية في العديد من المواضع ، يمكن استخدام الوقت اللازم لانتشار الموجة من الهدف إلى أجهزة الكشف لإنشاء صورة من خلال خوارزمية إعادة البناء. إن قدرة PAT على اكتشاف الامتصاص البصري في مناطق الأنسجة العميقة تميز PAT عن التصوير بالموجات فوق الصوتية ، والذي يكتشف حدود المعاوقة الصوتية المختلفة للأنسجة5. في الأطياف المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء ، فإن الجزيئات الحيوية الأولية عالية الامتصاص المتوفرة بكثرة في الكائنات الحية هي الهيموجلوبين والدهون والميلانين والماء7. أهمية خاصة في دراسة السكتة الدماغية هو الهيموغلوبين. نظرا لأن أوكسي هيموغلوبين وديوكسي هيموغلوبين لهما أطياف امتصاص بصري مختلفة ، يمكن استخدام PAT مع أطوال موجية ليزر متعددة الإثارة لتحديد التركيز النسبي لحالتين من البروتين. هذا يسمح بتشبع الأكسجين من الهيموغلوبين (sO2) ، أو أكسجة الدم ، ليتم قياسها داخل وخارج منطقة الاحتشاء 8,9. هذا مقياس مهم في السكتة الدماغية ، لأنه يمكن أن يشير إلى مستوى الأكسجين في أنسجة المخ التالفة بعد نقص التروية.
تصوير الأوعية الصوتية (AA) هو طريقة تصوير بالموجات فوق الصوتية محسنة بالتباين وهي مفيدة بشكل خاص لتصوير مورفولوجيا الأوعية الدموية في الجسم الحي10. تعتمد الطريقة على استخدام محول طاقة متذبذب ثنائي العنصر (عنصر منخفض التردد وعنصر عالي التردد) جنبا إلى جنب مع الفقاعات الدقيقة التي يتم حقنها في الدورة الدموية لموضوع التصوير. يستخدم عنصر التردد المنخفض لمحول الطاقة للإرسال بتردد رنين الفقاعات الدقيقة (على سبيل المثال ، 2 ميجاهرتز) ، بينما يستخدم عنصر التردد العالي لاستقبال الإشارات التوافقية الفائقة للفقاعات الدقيقة (على سبيل المثال ، 26 ميجاهرتز). عندما تثار الفقاعات الدقيقة بتردد رنين ، يكون لها استجابة غير خطية قوية ، مما يؤدي إلى إنتاج إشارات توافقية فائقة لا تنتجها أنسجة الجسم المحيطة11. من خلال الاستلام بعنصر عالي التردد ، يضمن ذلك اكتشاف إشارات الفقاعات الدقيقة فقط. نظرا لأن الفقاعات الدقيقة تقتصر على الأوعية الدموية ، فإن النتيجة هي صورة وعائية لمورفولوجيا الأوعية الدموية. AA هي طريقة قوية لتصوير السكتة الدماغية الإقفارية ، حيث لا تستطيع الفقاعات الدقيقة التي تتدفق عبر الدورة الدموية التدفق عبر الأوعية المسدودة. هذا يسمح ل AA باكتشاف مناطق الدماغ التي لا تتخلل بسبب السكتة الدماغية ، مما يشير إلى منطقة الاحتشاء.
تعتمد أبحاث السكتة الدماغية الإقفارية قبل السريرية بشكل عام على استخدام علم الأنسجة والاختبارات السلوكية لتقييم موقع السكتة الدماغية وشدتها. تلطيخ كلوريد ثلاثي فينيل تترازوليوم (TTC) هو تحليل نسيجي شائع يستخدم لتحديد حجم احتشاء السكتة الدماغية. ومع ذلك ، لا يمكن استخدامه إلا عند نقطة النهاية ، لأنه يتطلب القتل الرحيم للحيوان12. يمكن استخدام الاختبارات السلوكية لتحديد ضعف الوظيفة الحركية في نقاط زمنية متعددة ، لكنها لا يمكن أن توفر قيما تشريحية أو فسيولوجية كمية13. يوفر التصوير الطبي الحيوي نهجا كميا أكثر لدراسة آثار السكتة الدماغية غير الغازية والطولية9،14،15. ومع ذلك ، يمكن أن تأتي تقنيات التصوير الحالية (مثل التصوير بالرنين المغناطيسي للحيوانات الصغيرة [MRI]) بتكلفة عالية ، أو تكون غير قادرة على توفير معلومات هيكلية ووظيفية متزامنة ، أو لديها عمق اختراق محدود (مثل معظم تقنيات التصوير البصري).
هنا ، نجمع بين التصوير المقطعي الضوئي الصوتي والموجات فوق الصوتية وتصوير الأوعية الدموية (PAUSAT ؛ انظر مخطط النظام في الشكل 1) ، والذي يسمح بمعلومات هيكلية ووظيفية تكميلية عن تروية الدم والأوكسجين بعد السكتة الدماغيةالإقفارية 16. هذان جانبان مهمان في تقييم شدة الإصابة ومراقبة التعافي أو الاستجابة للعلاجات. يمكن أن يؤدي استخدام طرق التصوير المتكاملة هذه إلى زيادة كمية المعلومات التي يحصل عليها كل ، مما يقلل من عدد الحيوانات المطلوبة ويوفر المزيد من المعلومات في دراسة العلاجات المحتملة للسكتة الدماغية.
الشكل 1: مخطط PAUSAT. (أ) رسم تخطيطي كامل لنظام PAUSAT ، بما في ذلك الليزر و OPO المستخدم في PAT. (ب) منظر داخلي لنظام PAUSAT ، بما في ذلك محولي طاقة بالموجات فوق الصوتية. يتم استخدام محول الطاقة المتذبذب ثنائي العنصر لكل من الموجات فوق الصوتية في الوضع B و AA ، ويتم استخدام محول طاقة الصفيف الخطي ل PAT. يتم تركيب كلا محولات الطاقة على نفس المرحلة الآلية 2D ، مما يسمح للمسح الضوئي بتوليد بيانات حجمية. وقد عدل هذا الرقم من16. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
هناك بعض الجوانب الحيوية لهذه الطريقة التي ، إذا تم إجراؤها بشكل غير صحيح ، يمكن أن تؤدي إلى انخفاض كبير في جودة الصورة والتحليل الكمي. النتيجة الأكثر شيوعا لخطأ المستخدم في صور PAUSAT هي إما نقص الإشارة أو قوة إشارة منخفضة للغاية ، وكلاهما يمكن أن يحدث لأسباب متنوعة. أحد هذه الأسباب هو مشكلة ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفون أن يشكروا الفريق الهندسي في SonoVol Inc. على دعمهم الفني. تم رعاية هذا العمل جزئيا من قبل جائزة العلوم التعاونية لجمعية القلب الأمريكية (18CSA34080277) ، إلى J. Yao و W. Yang. تمنح المعاهد الوطنية للصحة في الولايات المتحدة (NIH) R21EB027981 ، R21 EB027304 ، RF1 NS115581 (مبادرة BRAIN) ، R01 NS111039 ، R01 EB028143 ؛ جائزة CAREER من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) 2144788 ؛ منحة مبادرة تشان زوكربيرج (2020-226178) ، إلى جيه ياو ؛ وتمنح المعاهد الوطنية للصحة R21NS127163 R01NS099590 إلى دبليو يانغ.
Materials
| 20 GA catheter | BD Insyte Autoguard Winged | 381534 | For mouse intubation |
| 2,3,5-Triphenyltetrazolium chloride | Sigma | T8877 | Necessary for TTC-staining brain for validation |
| 532nm Laser | Quantel | Q-smart 850 | Laser used to pump the OPO for PAT |
| Automatic Ventilator Rovent Jr. | Kent Scientific | RV-JR | To keep mice under anesthesia during surgical procedure |
| Black braided silk 4-0 USP | Surgical Specialties | SP116 | Used for sutures on the neck for pMCAO surgery |
| Bupivacaine | Hospira | 0409-1159-18 | Used prior to closing wounds during surgical procedure |
| C57BL/6 Mice | Jackson Lab | #000664 | Mice used for studying ischemic stroke (2-6 month old male/female) |
| Clear suture | Ethicon | 8606 | Used for closing wound (PT stroke and pMCAO). A clear suture won't interfere with PAT |
| Cold Light LED | Schott | KL 1600 | Needed to create PT stroke |
| Disposable Razor Blade | Accutec Blades | 74-0002 | For sectioning mouse brain |
| Electric drill | JSDA | JD-700 | Used to expose MCA during pMCAO procedure |
| Electrocauterization tool | Wet-Field | Wet-Field Bipolar-RG | Stops blood flow after drilling during pMCAO procedure |
| Hair removal gel | Veet | 8282651 | Used to remove hair from mouse prior to imaging |
| High Temperature Cautery Loop Tip | BOVIE Medical Corporation | REF AA03 | Used to avoid bleeding when separating the temporal muscle from the skull |
| IR Detector Card | Thorlabs | VRC5 | Used to ensure light path is aligned |
| Laser Power Meter | Ophir | StarBright, P/N 7Z01580 | Can be used to calibrate the laser energy prior to imaging |
| Laser Speckle Imaging System | RWD Life Science Co. | RFLSI-III | Can be used to validate stroke surgery success |
| Lubricant Eye Ointment | Soothe | AB31336 | Can be used to avoid drying of the eyes |
| Manually adjustable stage | Thorlabs | L490 | Used with custom ramp for multiple focal depth AA imaging |
| Modified Vega Imaging System | Perkin Elmer | LLA00061 | System containing both B-mode/AA and PAT transducers |
| Optical Parametric Oscillator | Quantel | versaScan-L532 | Allows for tuning of excitation wavelength in a large range |
| Programmable Ultrasound System | Verasonics | Vantage 256 | Used for PAT part of system |
| Rose Bengal | Sigma | 330000 | Necessary to induce PT stroke |
| Suture | LOOK | SP116 | Used for permanent ligation of CCA |
| Temperature Contoller | Physitemp | TCAT-2 | Used to maintain stable body temperature of mice during procedures |
| VesselVue Microbubbles | Perkin Elmer | P-4007001 | Used for acoustic angiography (2.43 × 10^9 microbubbles/mL) |
References
- Durukan, A., Tatlisumak, T. Acute ischemic stroke: overview of major experimental rodent models, pathophysiology, and therapy of focal cerebral ischemia. Pharmacology Biochemistry and Behavior. 87 (1), 179-197 (2007).
- Vander Worp, H. B., van Gijn, J. Clinical Practice. Acute ischemic stroke. The New England Journal of Medicine. 357 (6), 572-579 (2007).
- Tannenbaum, J., Bennett, B. T. Russell and Burch’s 3Rs then and now: the need for clarity in definition and purpose. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 54 (2), 120-132 (2015).
- Hochrainer, K., Yang, W. Stroke proteomics: from discovery to diagnostic and therapeutic applications. Circulation Research. 130 (8), 1145-1166 (2022).
- Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nature Methods. 13 (8), 627-638 (2016).
- Aldrich, J. E. Basic physics of ultrasound imaging. Critical Care Medicine. 35 (5), S131-S137 (2007).
- Jacques, S. L. Optical properties of biological tissues: a review. Physics in Medicine and Biology. 58 (11), R37-R61 (2013).
- Li, M., Tang, Y., Yao, J. Photoacoustic tomography of blood oxygenation: a mini review. Photoacoustics. 10, 65-73 (2018).
- Menozzi, L., Yang, W., Feng, W., Yao, J. Sound out the impaired perfusion: Photoacoustic imaging in preclinical ischemic stroke. Frontiers in Neuroscience. 16, 1055552 (2022).
- Gessner, R. C., Frederick, C. B., Foster, F. S., Dayton, P. A. Acoustic angiography: a new imaging modality for assessing microvasculature architecture. International Journal of Biomedical Imaging. 2013, 936593 (2013).
- Dayton, P. A., Rychak, J. J. Molecular ultrasound imaging using microbubble contrast agents. Frontiers in Bioscience. 12, 5124-5142 (2007).
- Isayama, K., Pitts, L. H., Nishimura, M. C. Evaluation of 2, 3, 5-triphenyitetrazolium chloride staining to delineate rat brain infarcts. Stroke. 22 (11), 1394-1398 (1991).
- Ruan, J., Yao, Y. Behavioral tests in rodent models of stroke. Brain Hemorrhages. 1 (4), 171-184 (2020).
- Parthasarathy, A. B., Kazmi, S. M. S., Dunn, A. K. Quantitative imaging of ischemic stroke through thinned skull in mice with Multi Exposure Speckle Imaging. Biomedical Optics Express. 1 (1), 246-259 (2010).
- Hingot, V., et al. Early ultrafast ultrasound imaging of cerebral perfusion correlates with ischemic stroke outcomes and responses to treatment in mice. Theranostics. 10 (17), 7480-7491 (2020).
- Menozzi, L., et al. Three-dimensional non-invasive brain imaging of ischemic stroke by integrated photoacoustic, ultrasound and angiographic tomography (PAUSAT). Photoacoustics. 29, 100444 (2022).
- Llovera, G., Roth, S., Plesnila, N., Veltkamp, R., Liesz, A. Modeling stroke in mice: permanent coagulation of the distal middle cerebral artery. Journal of Visualized Experiments. (89), e51729 (2014).
- Trotman-Lucas, M., Kelly, M. E., Janus, J., Fern, R., Gibson, C. L. An alternative surgical approach reduces variability following filament induction of experimental stroke in mice. Disease Models & Mechanisms. 10 (7), 931-938 (2017).
- Labat-Gest, V., Tomasi, S. Photothrombotic ischemia: a minimally invasive and reproducible photochemical cortical lesion model for mouse stroke studies. Journal of Visualized Experiments. (76), e50370 (2013).
- Matsumoto, Y., et al. Visualising peripheral arterioles and venules through high-resolution and large-area photoacoustic imaging. Scientific Reports. 8 (1), 14930 (2018).
- Xu, Y., Wang, L. V., Ambartsoumian, G., Kuchment, P. Reconstructions in limited-view thermoacoustic tomography. Medical Physics. 31 (4), 724-733 (2004).
- Yal Tang, ., et al. High-fidelity deep functional photoacoustic tomography enhanced by virtual point sources. Photoacoustics. 29, 100450 (2023).
- Zheng, W., Huang, C., Zhang, H., Xia, J. Slit-based photoacoustic tomography with co-planar light illumination and acoustic detection for high-resolution vascular imaging in human using a linear transducer array. Biomedical Engineering Letters. 12 (2), 125-133 (2022).
- Wang, Y., et al. Slit-enabled linear-array photoacoustic tomography with near isotropic spatial resolution in three dimensions. Optics Letters. 41 (1), 127-130 (2016).
- Vu, T., Li, M., Humayun, H., Zhou, Y., Yao, J. A generative adversarial network for artifact removal in photoacoustic computed tomography with a linear-array transducer. Experimental Biology and Medicine. 245 (7), 597-605 (2020).
- Zhang, H., et al. Deep-E: A fully-dense neural network for improving the elevation resolution in linear-array-based photoacoustic tomography. IEEE Transactions on Medical Imaging. 41 (5), 1279-1288 (2022).
- Hauptmann, A., et al. Model-based learning for accelerated, limited-view 3-D photoacoustic tomography. IEEE Transactions on Medical Imaging. 37 (6), 1382-1393 (2018).
- Li, M., et al. Three-dimensional deep-tissue functional and molecular imaging by integrated photoacoustic, ultrasound, and angiographic tomography (PAUSAT). IEEE Transactions on Medical Imaging. 41 (10), 2704-2714 (2022).
